齊兵

中國(guó)重汽集團(tuán)泰安五岳專(zhuān)用汽車(chē)有限公司 山東省泰安市 271000

1 引言

新型環(huán)保材料主要是常見(jiàn)的環(huán)保聚脲涂料，具有施工工藝簡(jiǎn)單、環(huán)保性能優(yōu)越等特點(diǎn)，固化溫度低、耐腐蝕性、耐候性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)，可以方便后期維護(hù)與保養(yǎng)。在新環(huán)保材料應(yīng)用時(shí)能夠根據(jù)不同的車(chē)輛類(lèi)型的涂層性能要求，選擇不同的聚脲涂料，全面增強(qiáng)汽車(chē)底盤(pán)零部件的使用壽命。通過(guò)對(duì)汽車(chē)環(huán)保設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，總結(jié)環(huán)保新材料的具體應(yīng)用策略，能夠推動(dòng)我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)在環(huán)保全面發(fā)展，提高汽車(chē)的性能和質(zhì)量，滿(mǎn)足人們的出行需要。

2 汽車(chē)環(huán)保設(shè)計(jì)的相關(guān)特點(diǎn)

在汽車(chē)行業(yè)快速發(fā)展的背景下，既要保證車(chē)輛設(shè)計(jì)的安全舒適，又要保障節(jié)能環(huán)保。在我國(guó)汽車(chē)數(shù)量明顯增多的背景下要重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)汽車(chē)的智能化設(shè)計(jì)，但是從目前來(lái)看對(duì)大多數(shù)的汽車(chē)進(jìn)行車(chē)輛檢測(cè)之后，能夠發(fā)現(xiàn)大部分車(chē)內(nèi)空氣質(zhì)量存在明顯的污染問(wèn)題，不僅會(huì)導(dǎo)致空氣環(huán)境污染，而且還影響人體健康，對(duì)社會(huì)的全面發(fā)展造成不良影響。如果能夠使車(chē)輛部件減輕1%，那么不僅能夠降低能耗，同時(shí)也能夠減輕荷載，避免過(guò)度磨損。在汽車(chē)工業(yè)快速發(fā)展中運(yùn)用各種新材料和新技術(shù)已經(jīng)成為必然趨勢(shì)，能夠確保汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)。汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)要根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面優(yōu)化，通過(guò)加工科技和輕量化材料的應(yīng)用來(lái)減輕車(chē)輛的整體重量，既能夠保障車(chē)輛的安全性能和強(qiáng)度，同時(shí)也可以將汽車(chē)的整體質(zhì)量降至最低，滿(mǎn)足汽車(chē)動(dòng)力運(yùn)行的需要。汽車(chē)輕量化的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)部件、外形、尺寸優(yōu)化，減少道路占用面積，同時(shí)也可以通過(guò)縮減車(chē)輛零部件的厚度來(lái)保障車(chē)輛的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)車(chē)輛智能化結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行分體式或者局部增強(qiáng)設(shè)計(jì)應(yīng)用新的節(jié)能環(huán)保材料來(lái)保障新材料的應(yīng)用水平得到全面提高。

3 在汽車(chē)設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的環(huán)保新材料

3.1 環(huán)保聚脲涂料

環(huán)保聚脲涂料是非常普遍的新型環(huán)保材料，不僅施工工藝簡(jiǎn)單高效，而且具有良好的耐腐蝕性和耐候性，能夠根據(jù)不同的汽車(chē)零部件需求來(lái)選擇不同的聚脲材料。目前新型環(huán)保聚脲涂料主要用在轎車(chē)燃油箱、外壁涂裝以及汽車(chē)底盤(pán)漆生產(chǎn)線(xiàn)上。利用聚脲涂料可以直接在燃油箱外壁涂裝將燃油箱孔封堵，避免液體流入到油箱內(nèi)壁。然后在表面噴涂聚脲底漆、烘干，通過(guò)遮蔽-打磨-擦拭-噴涂等一系列的操作之后，強(qiáng)化涂料主劑和固化劑的配比密度，平均分散，保證聚脲涂料的耐鹽、耐污和耐老化水平全面增強(qiáng)。

3.2 免噴涂塑料

隨著我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)于汽車(chē)內(nèi)飾也呈現(xiàn)出個(gè)性化的發(fā)展需要，而且這些汽車(chē)內(nèi)飾對(duì)能源資源消耗量更高，在新時(shí)期要積極加強(qiáng)對(duì)汽車(chē)內(nèi)飾的節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)與優(yōu)化。汽車(chē)防滑坐墊和汽車(chē)防曬膜等新型環(huán)保材料，可以利用免噴涂塑料、熱熔膠或者水性膠粘劑等。目前常見(jiàn)的環(huán)保型內(nèi)飾塑料主要包括生物塑料，免噴涂塑料能夠在表面進(jìn)行預(yù)處理，噴漆干燥，提高汽車(chē)內(nèi)飾的耐候性、耐熱性和低氣味性低揮發(fā)性的要求，而且這些汽車(chē)內(nèi)飾能夠?qū)崿F(xiàn)100%回收，顯著降低了制造成本。無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料的應(yīng)用能夠添加各種無(wú)毒的化學(xué)穩(wěn)定劑，減少塑料本身的OVC 殘留，具有更高的強(qiáng)度和抗紫外線(xiàn)能力。在生物塑料中通過(guò)淀粉之類(lèi)的無(wú)毒害可再生原料為基礎(chǔ)，可以用于取代傳統(tǒng)的內(nèi)飾塑料保證了環(huán)保的效果，汽車(chē)革是汽車(chē)的重要零部件，對(duì)汽車(chē)的美觀性和使用性會(huì)產(chǎn)生明顯影響目前常用的汽車(chē)內(nèi)飾主要以人造皮革為主，這些人造皮革，無(wú)論是穿孔縫合線(xiàn)工藝還是觸感上，都能夠模擬真皮材料。這些人造皮革屬于熱塑性聚氨酯散熱性更強(qiáng)，在相同溫度環(huán)境下比其他材料的表面溫度低10℃以上，具有較高的透氣性和適水性，吸水率要比天然皮革慢15%，通過(guò)這些性能特點(diǎn)可以使得人造皮革比天然皮革更舒適環(huán)保。高分子環(huán)保材料也能夠在汽車(chē)座椅中應(yīng)用密度更小，性?xún)r(jià)比更高，具有良好的耐熱性能，可以方便回收再利用，具有較強(qiáng)的抗沖擊性，耐高溫性和耐熱性等特點(diǎn)。除了材料之外，材料膠粘劑的應(yīng)用也可以增強(qiáng)汽車(chē)內(nèi)部環(huán)境的空氣質(zhì)量，我國(guó)目前大多數(shù)的汽車(chē)內(nèi)飾依然采用氯丁膠黏劑這類(lèi)膠黏劑不僅易燃易爆，而且有毒。通過(guò)利用水溶性的聚氨酯膠粘劑來(lái)取代氯丁膠粘劑，不僅黏度低不含毒溶劑，而且不隨聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的改變，固含量高達(dá)50%，投資成本更低，無(wú)須溶劑回收以及防火防爆的設(shè)計(jì)，在汽車(chē)內(nèi)飾門(mén)板儀表盤(pán)等多個(gè)部位進(jìn)行快速粘接。

3.3 碳纖維材料

碳纖維材料是以碳纖維復(fù)合而形成的新型環(huán)保材料，碳纖維密度較低，在汽車(chē)設(shè)計(jì)中非常普遍，碳纖維材料具有良好的可塑性，而且整體的結(jié)構(gòu)性能都具有十分顯著的優(yōu)勢(shì)，整體的重量要比普通材料更輕，抗拉性能又超出普通金屬材料。在汽車(chē)設(shè)計(jì)中碳纖維材料廣泛應(yīng)用可以根據(jù)自身的特性將碳纖維編織為布面，在具體的模具加工中將碳纖維進(jìn)行交錯(cuò)疊放，通過(guò)這樣的方式最終保證了碳纖維面板的光亮平滑。而且碳纖維具有極強(qiáng)的安全性，所以目前大多數(shù)的賽車(chē)都以碳纖維制作駕駛室保護(hù)裝置，在發(fā)生事故時(shí)也能夠減輕對(duì)駕駛?cè)藛T造成的傷害。

4 車(chē)輛輕量化設(shè)計(jì)的基本途徑

采用最新的科學(xué)技術(shù)，關(guān)注重點(diǎn)部件，革新及優(yōu)化設(shè)計(jì)工具、輕量化設(shè)計(jì)原理、把部件轉(zhuǎn)化成部件和復(fù)合材料，從而降低部件數(shù)目。對(duì)零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，比如去掉過(guò)多的零件。新材料的應(yīng)用可以使用低密度高強(qiáng)度的輕型材料，例如鋁鎂合金、塑料聚合物材料、陶瓷材料，采用先進(jìn)的制造技術(shù)和制造技術(shù)，要使零件的結(jié)構(gòu)更加輕便，并選用多種不同的可替換材料。復(fù)合材料及非標(biāo)材質(zhì)。采用先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備和工具進(jìn)行金屬材料成型，可以實(shí)現(xiàn)重量輕的產(chǎn)品。鋁合金鋁合金，最常用的是自行車(chē)的鋁合金車(chē)輪，這種材料比之前的鋼材要輕得多。鎂合金是一種合金，具有密度低、比強(qiáng)度大、彈性模量大、抗沖擊吸收性能好、抗沖擊能力好、抗有機(jī)物、耐堿性等優(yōu)良性能。鈦合金中加入了其它元素。綜合性能好，密度低，比強(qiáng)度高。鈦合金具有4.51g/cm的密度，在鋁2.7g/cm和7.6g/cm之間。鈦合金的比強(qiáng)高于鎂鋁合金，其韌性接近于鋼。鈦、鈦合金的耐蝕性能優(yōu)于不銹鋼。鈦合金比鎂鋁合金、鎂合金具有更廣泛的應(yīng)用范圍，具有很好的加工能力和焊接能力。塑料的主要成分是由低密度、低導(dǎo)熱率、低導(dǎo)電率、耐酸性、耐堿性、老化的非金屬元素的有機(jī)化合物。塑料的力學(xué)性能可能會(huì)改變。汽車(chē)內(nèi)部使用的是整體部件。由于碳纖維材料的航空技術(shù)發(fā)展，飛機(jī)所需的材料重量較輕，強(qiáng)度較高，而目前的金屬材料已不能適應(yīng)航空工業(yè)的需求，逐漸替代了纖維。早期的碳纖維被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)，但是到目前為止，只有在超級(jí)跑車(chē)中才能應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)罩，擋泥板，車(chē)頂，行李箱，車(chē)門(mén)，底盤(pán)等結(jié)構(gòu)部件。其它新型材料除以上所述的多種不同的材料之外，還有很多輕質(zhì)的、具有良好的特性的材料，但是目前汽車(chē)還沒(méi)有應(yīng)用。陶瓷是僅次于金屬、塑膠的重要原料。盡管陶瓷材料的研制周期比較短，但是其力學(xué)性能和化學(xué)性能都很好?！捌?chē)用的陶瓷材料，不但重量輕，還具有優(yōu)良的耐熱性、耐磨性和耐腐蝕性。使用在引擎部件上，可以增加燃料的使用效率。蜂窩夾層是一種高強(qiáng)度、高硬度的航空材料，具有很高的市場(chǎng)價(jià)值，但是在汽車(chē)行業(yè)中的應(yīng)用并不多。汽車(chē)的輕量化前景為了實(shí)現(xiàn)人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展，新一代的汽車(chē)產(chǎn)品節(jié)能、安全、環(huán)保、輕量化，對(duì)新一代的汽車(chē)材料技術(shù)提出了更高的要求，是達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的重要途徑。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外各大汽車(chē)企業(yè)及材料業(yè)紛紛投入了大量的資金、物力，積極開(kāi)展汽車(chē)技術(shù)與新材料的研發(fā)，并獲得了國(guó)家的大力扶持。然而，在輕型化發(fā)展的同時(shí)，也必須面對(duì)不能輕量化、不能忽視汽車(chē)安全的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)汽車(chē)站點(diǎn)對(duì)47 個(gè)國(guó)家和合資企業(yè)的防撞梁進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，大多數(shù)日本汽車(chē)廠商的防撞鋼梁厚度不符合國(guó)家規(guī)定。如果為了減少汽車(chē)的重量而以犧牲安全為代價(jià)，這種輕便毫無(wú)意義。選用的材料也要謹(jǐn)慎，技術(shù)要更成熟，整個(gè)汽車(chē)業(yè)都需要對(duì)這種技術(shù)給予足夠的關(guān)注和了解。所以，在未來(lái)輕量化是我國(guó)汽車(chē)發(fā)展的一個(gè)重要特點(diǎn)。

5 新能源汽車(chē)環(huán)保設(shè)計(jì)

新能源汽車(chē)與傳統(tǒng)型汽車(chē)之間的對(duì)比，傳統(tǒng)汽車(chē)以不可再生資源，如汽油、柴油等，而新能源汽車(chē)則以電能為主，其中最重要的動(dòng)力是氫和太陽(yáng)能。新能源汽車(chē)的排放相對(duì)較低，在節(jié)約傳統(tǒng)能源和環(huán)境保護(hù)方面具有十分重要的意義。新能源汽車(chē)的分類(lèi)主要體現(xiàn)在動(dòng)力創(chuàng)新方面。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，新能源汽車(chē)有三大類(lèi)，混合動(dòng)力汽車(chē)，采用電動(dòng)機(jī)+引擎的方式，利用電力和燃油的消耗來(lái)產(chǎn)生電力。全電力車(chē)輛。電動(dòng)車(chē)的應(yīng)用是當(dāng)前新能源汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)，具有許多的優(yōu)勢(shì)，但是要解決的問(wèn)題有三個(gè)：電池的儲(chǔ)存，電池的壽命，以及電動(dòng)車(chē)的價(jià)格。氫能汽車(chē)不像常規(guī)車(chē)輛那樣消耗大量燃料，排放大量污染物，而是排放出純凈的水。新能源汽車(chē)的新材料研發(fā)要想在現(xiàn)有的汽車(chē)中脫穎而出，就必須要在材料上進(jìn)行突破。電機(jī)驅(qū)動(dòng)材料是把能源轉(zhuǎn)換成車(chē)輛的主要?jiǎng)恿?，電池是一個(gè)非常關(guān)鍵的部件，用于車(chē)輛的電能存儲(chǔ)，與新能源汽車(chē)的電池技術(shù)相比，新能源汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)相對(duì)成熟。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的上游總成-傳動(dòng)系統(tǒng)的控制部件仍然依靠進(jìn)口。在各類(lèi)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)中，永磁同步電功能夠較好地適應(yīng)電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力需求。目前，稀土資源，尤其是稀土中的釹，已成為新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置的重要研究領(lǐng)域，對(duì)新能源汽車(chē)的研發(fā)和創(chuàng)新起到了至關(guān)重要的作用。新能源汽車(chē)總體設(shè)計(jì)趨向于小型化、大功率化，因此稀土可以很好地滿(mǎn)足這種需求。所以，混合動(dòng)力汽車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)，燃料電池汽車(chē)都是由稀土元素驅(qū)動(dòng)的。電動(dòng)機(jī)是必不可少的，而且需求量很大。近幾年來(lái)，我國(guó)的電池工業(yè)發(fā)展迅速，并在世界范圍內(nèi)形成了一定的影響。中國(guó)是世界上鋰離子資源最豐富的國(guó)家，在全球位列第三，是研究、開(kāi)發(fā)、創(chuàng)新新能源汽車(chē)用鋰離子電池的重要原料。鎳氫電池的總造價(jià)約為3/5。電解質(zhì)、陰極、陽(yáng)極、膜片等四大材料構(gòu)成了鋰離子電池的成本。目前國(guó)內(nèi)以磷酸鐵鋰為主的新型電池陰極材料，而日本的新能源電池則以氧化鋰錳、鎳氫為主要原料。磷酸鐵鋰是美國(guó)新能源電池的主要正極材料。稀土元素是新能源電池的一部分。同時(shí)，稀土金儲(chǔ)氫技術(shù)在汽車(chē)混合動(dòng)力汽車(chē)用鎳氫電池中的應(yīng)用前景廣闊，環(huán)保、低污染、高安全。輕型材料車(chē)輛的性能對(duì)加速、爬坡、滾動(dòng)阻力有很大的影響，但總體上與車(chē)輛的重量、能量消耗成反比關(guān)系。輕量化的車(chē)輛可以降低能耗的50%，降低行駛阻力可以降低三分之一的能耗，提高引擎的利用率可以降低50%的能耗。很明顯，在新能源汽車(chē)的研發(fā)與創(chuàng)新中，輕量化是一個(gè)關(guān)鍵的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，世界范圍內(nèi)的汽車(chē)用輕量化材料包括鎂鋁合金，鎂合金，鈦合金，超輕型高強(qiáng)度汽車(chē)用鋼材及復(fù)合材料。鎂鋁合金在新能源汽車(chē)中得到了廣泛的應(yīng)用。在采用鎂鋁合金的情況下，總體的重量減輕了20%左右。鎂鋁合金在新能源汽車(chē)的輕型設(shè)計(jì)中也占有重要地位。車(chē)架、儀表板、方向盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、離合器等零件具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、易加工等優(yōu)點(diǎn)，有望在新能源汽車(chē)上得到廣泛的應(yīng)用。增程式混合動(dòng)力技術(shù)就是汽車(chē)引擎只能在行駛時(shí)產(chǎn)生電能，而不參與汽車(chē)的運(yùn)行，也被稱(chēng)為系列混合動(dòng)力技術(shù)。長(zhǎng)時(shí)間實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果表明，長(zhǎng)距離混合動(dòng)力技術(shù)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是以燃油為動(dòng)力為動(dòng)力，完全解決了電池不足的問(wèn)題，延長(zhǎng)汽車(chē)壽命長(zhǎng)。二是汽車(chē)應(yīng)用了該技術(shù)后可直接對(duì)車(chē)輛進(jìn)行功率補(bǔ)償，不但要明確電機(jī)的輸出功率要求，還要滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率和動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，符合汽車(chē)使用壽命要求。并聯(lián)式混合動(dòng)力技術(shù)作為一種新型電力技術(shù)，已被廣泛采用，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)不僅具有發(fā)電功能，而且還起到了正常運(yùn)行的作用。盡管這項(xiàng)技術(shù)是一項(xiàng)廉價(jià)的節(jié)能技術(shù)，但是目前已有大部分采用并聯(lián)混合動(dòng)力技術(shù)的汽車(chē)，不能讓發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)化裝置同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。由于只有發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行，因此與傳統(tǒng)技術(shù)相比，這項(xiàng)技術(shù)的節(jié)能效果并不明顯。使用混合動(dòng)力混合動(dòng)力技術(shù)，具有發(fā)電和駕駛同步功能，是并行混合技術(shù)與增程混合技術(shù)相結(jié)合的一種新型混合技術(shù)，主要利用動(dòng)力分離器將汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的電能分離出來(lái)，從而使汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)能夠發(fā)電。在驅(qū)使車(chē)輪前進(jìn)時(shí)完成能量轉(zhuǎn)換，提高汽車(chē)節(jié)能效果。

6 結(jié)語(yǔ)

由于新材料具有良好的使用性能，而且成本更低，具備良好的環(huán)保性。在今后汽車(chē)設(shè)計(jì)中要積極主動(dòng)運(yùn)用好各種環(huán)保新材料，根據(jù)不同的環(huán)保新材料特點(diǎn)對(duì)車(chē)輛的內(nèi)飾進(jìn)行全面優(yōu)化，真正實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的輕量化設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展需要。國(guó)內(nèi)各大汽車(chē)廠商陸續(xù)推出新能源汽車(chē)，對(duì)新能源汽車(chē)的期望也越來(lái)越高。本文將從驅(qū)動(dòng)電機(jī)材料、動(dòng)力電池材料、輕型材料等角度對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行研究，以期促進(jìn)我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速、健康、持續(xù)發(fā)展。